Name: 3d planning and printing of patient specific implants for reconstruction of bony defects
Uploaded: 2020-08-04T13:00:00
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Diese Studie folgte der Erklärung von Helsinki über medizinischeprotokolle und ethische Und das Institutional Ethical Review Board genehmigte die Studie.
1. Segmentierung mit einer Segmentierungssoftware
HINWEIS: Der Importvorgang der DICOM-Dateien erfordert die Ausrichtung der axialen, koronaren und sagittalen Ebenen im Popup-Fenster, um das Setup abzuschließen.
<ol><li>Wählen Sie im Menü Knochensegmentierung die Funktion Allgemein</...

<ol>
	<li>Goodsaid, F., Frueh, F., Burczynski, M. E., Hock, F., Gralinski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Personalized+Medicine.">Personalized Medicine.</a> Drug Discovery and Evaluation: Methods in Clinical Pharmacology. , (2019).</li><li>Hull, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Apparatus+for+production+of+three-dimensional+objects+by+stereolithography.">Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography.</a> Google Patents. , (1986).</li><li>Petzold, R., Zeilhofer, H. F., Kalender, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+prototyping+technology+in+medicine--basics+and+applications.">Rapid prototyping technology in medicine--basics and applications.</a> Computerized Medical Imaging and Graphics. 23 (5), 277-284 (1999).</li><li>Schmauss, D., Gerber, N., Sodian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+printing+of+models+for+surgical+planning+in+patients+with+primary+cardiac+tumors.">Three-dimensional printing of models for surgical planning in patients with primary cardiac tumors.</a> The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 145 (5), 1407-1408 (2013).</li><li>Tam, M. D., Laycock, S. D., Bell, D., Chojnowski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3-D+printout+of+a+DICOM+file+to+aid+surgical+planning+in+a+6+year+old+patient+with+a+large+scapular+osteochondroma+complicating+congenital+diaphyseal+aclasia.">3-D printout of a DICOM file to aid surgical planning in a 6 year old patient with a large scapular osteochondroma complicating congenital diaphyseal aclasia.</a> Journal of Radiology Case Reports. 6 (1), 31 (2012).</li><li>Emodi, O., Shilo, D., Israel, Y., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+planning+and+printing+of+guides+and+templates+for+reconstruction+of+the+mandibular+ramus+and+condyle+using+autogenous+costochondral+grafts.">Three-dimensional planning and printing of guides and templates for reconstruction of the mandibular ramus and condyle using autogenous costochondral grafts.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (1), 102-104 (2017).</li><li>Leiser, Y., Shilo, D., Wolff, A., Rachmiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+reconstruction+in+mandibular+avulsion+injuries.">Functional reconstruction in mandibular avulsion injuries.</a> Journal of Craniofacial Surgery. 27 (8), 2113-2116 (2016).</li><li>Mazzoni, S., Bianchi, A., Schiariti, G., Badiali, G., Marchetti, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer-aided+design+and+computer-aided+manufacturing+cutting+guides+and+customized+titanium+plates+are+useful+in+upper+maxilla+waferless+repositioning.">Computer-aided design and computer-aided manufacturing cutting guides and customized titanium plates are useful in upper maxilla waferless repositioning.</a> Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 73 (4), 701-707 (2015).</li><li>Rachmiel, A., Shilo, D., Blanc, O., Emodi, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+complex+mandibular+defects+using+integrated+dental+custom-made+titanium+implants.">Reconstruction of complex mandibular defects using integrated dental custom-made titanium implants.</a> British Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 55 (4), 425-427 (2017).</li><li>Xu, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+the+upper+cervical+spine+using+a+personalized+3D-printed+vertebral+body+in+an+adolescent+with+Ewing+sarcoma.">Reconstruction of the upper cervical spine using a personalized 3D-printed vertebral body in an adolescent with Ewing sarcoma.</a> Spine. 41 (1), E50-E54 (2016).</li></ol>

Mit dem stetigen Einsatz von Computern für die virtuelle Planung chirurgischer Eingriffe führte die Kombination mit einer anderen sich entwickelnden Technologie, dem 3D-Druck, zu einer völlig neuen Ära der chirurgischen Behandlung. Genauigkeit ist das Ziel dieser Technologien und patientenspezifische Versorgung, als zukünftiges Ziel, wird in Form von chirurgischen Leitfäden und patientenspezifischen Rekonstruktionsimplantaten präsentiert. Wir diskutieren chirurgische Leitfäden als Teil eines anderen zukünftigen ...

Personalisierte Medizin entwickelt sich schnell in vielen Bereichen der Medizin1. Die onkologische personalisierte Behandlung ist Gegenstand vieler Diskussionen und damit der bevölkerungbekannten Bevölkerung wohlbekannt. Der 3D-Druck wurde erstmals von Charles Hull eingeführt und zeigte den 3D-Druck von Objekten mit Stereolithographie2. Seitdem wurden verschiedene Technologien für den 3D-Druck entwickelt. Die verwendete Methode wird basierend auf dem Zweck des Geräts ausgewählt.
Der chirurgische Bereich umfasst schnell personalisierte Medizin. Die personalisierte Behandlung im chirurgischen Bereich erfordert eine virtuelle Planung mit einer computergestützten Design-Software (CAD). Die erste Phase enthält immer die Segmentierung, um eine 3D-Stl-Datei zu erstellen. Computer assisted manufacturing (CAM) wird als Herstellungsprozess des 3D-bauteils bezeichnet. Die erste Nutzung der Technologie wurde im präoperativen Modelldruck für die chirurgische Planung und Mockchirurgie3,4,5eingesetzt. Mit der Entwicklung der Technologie, virtuelle Planung der Operationen gefolgt von der Planung und Herstellung von chirurgischen Führern, um in der Chirurgie selbst zu unterstützen und patientenspezifische Rekonstruktion Implantate perfekt auf den Knochen des Patienten passte beliebter6,7,8,9,10. Der Zweck dieses Protokolls ist es, Ärzten die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen chirurgischen Leitfäden zu erstellen und patientenspezifische Implantate zu rekonstruieren. Dieses Verfahren ist genauer als die Verwendung von Lagerplatten, da es perfekt passt und auf der Grundlage der Eigenschaften des spezifischen Defekts entworfen werden kann. Es reduziert auch die Abhängigkeit von der Erfahrung des Chirurgen und reduziert die Operationszeit.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>D2P (DICOM to Print)</td>
			<td>3D systems</td>
			<td></td>
			<td>Segmentation software to create 3D stl files</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Geomagic Freeform</td>
			<td>3D systems</td>
			<td></td>
			<td>Sculpted Engineering Design</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

3d planning and printing of patient specific implants for reconstruction of bony defects

Wir befinden uns mitten in der 3D-Ära in den meisten Aspekten des Lebens, und vor allem in der Medizin. Die chirurgische Disziplin ist einer der Hauptakteure im medizinischen Bereich mit den sich ständig weiterentwickelnden 3D-Planungs- und Druckfähigkeiten. Computer-Assisted Design (CAD) und Computer Assisted Manufacturing (CAM) werden verwendet, um die 3D-Planung und Herstellung des Produkts zu beschreiben. Die Planung und Herstellung von 3D-Chirurgieführungen und Rekonstruktionsimplantaten erfolgt fast ausschließlich durch Ingenieure. Da technologietechnische Fortschritte und Softwareschnittstellen benutzerfreundlicher werden, wirft dies die Frage auf, ob die Planung und Fertigung auf den Kliniker übertragen werden kann. Die Gründe für einen solchen Wandel liegen auf der Hand: Der Chirurg hat die Idee, was er gestalten will, und er weiß auch, was machbar ist und im Operationssaal eingesetzt werden könnte. Es ermöglicht ihm, auf jedes Szenario/unerwartete Ergebnisse während der Operation vorbereitet zu sein und ermöglicht es dem Chirurgen, kreativ zu sein und seine neuen Ideen mit der CAD-Software auszudrücken. Der Zweck dieser Methode ist es, Ärzten die Möglichkeit zu geben, ihre eigenen chirurgischen Führungen und Rekonstruktionsimplantate zu erstellen. In diesem Manuskript wird ein detailliertes Protokoll eine einfache Methode zur Segmentierung mit Segmentierungssoftware und Implantatplanung mit einer 3D-Design-Software bereitstellen. Nach der Segmentierung und Stl-Dateiproduktion mit Segmentierungssoftware konnte der Kliniker eine einfache patientenspezifische Rekonstruktionsplatte oder eine komplexere Platte mit einer Wiege für die Knochentransplantatpositionierung erstellen. Chirurgische Führungen können für eine genaue Resektion, Lochvorbereitung für die richtige Rekonstruktionsplattenpositionierung oder für die Knochentransplantaternte und -umkonturierung erstellt werden. Ein Fall von Unterkieferrekonstruktion nach Plattenfraktur und unfraktionistischer Heilung einer verletzungsbedingt erlittenen Verletzung ist detailliert.

Eine 40-jährige Patientin mit einem gebrochenen, mitgeliefertem Vorrat, einer Rekonstruktionsfixierungsplatte nach einer früheren Verletzung und einer nicht gewerkschaftlichen Fraktur im linken Unterkiefer, die der Abteilung vorgelegt wurde. Die Bildgebung zeigt die defekte Befestigungsplatte und das mal positionierte linke Segment des Unterkiefers (Abbildung 1). Mit Hilfe der Segmentierungssoftware wurde die Segmentierung des Unterkiefers zwischen der gebr...

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3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects

Dieses Protokoll beschreibt den Einsatz von 3D-Planung und -Druck zur Rekonstruktion knöcherner Defekte. Wir verwenden Segmentierungswerkzeuge, um 3D-Modelle zu erstellen, gefolgt von 3D-Design-Software, um patientenspezifische Implantate für Rekonstruktionszwecke zu erstellen, die gleichzeitig mit der ablativen Chirurgie oder als zweite Stufe einhergehen.

3D-Planung und Druck von patientenspezifischen Implantaten zur Rekonstruktion von Knochendefekten

We are in the midst of the 3D era in most aspects of life, and especially in medicine. The surgical discipline is one of the major players in the medical ...

Dieses Protokoll ermöglicht die virtuelle Behandlung von Patienten mit knöchernen Defekten und die Erstellung neuartiger chirurgischer Führungs- und Fixierungsplatten. Mit diesem Protokoll können Implantate virtuell erstellt und so gestaltet werden, wie es für den Einsatz im Operationssaal mit überragender Genauigkeit und verkürzter Betriebsdauer machbar ist. Patientenspezifische Implantate, die mit unserem Protokoll geplant sind, basieren auf einer genauen 3D-Bildgebung, die perfekt passende Implantate ermöglicht und die Wiederherstellung der richtigen Gewebeanatomie, Symmetrie und Funktion ermöglicht.Dieses Protokoll ermöglicht es Benutzern, komplexe Modelle oder Strukturen aus verschiedenen Materialien zu entwerfen und zu drucken und verschiedene Parameter wie ihre Stärke oder Fähigkeit zur Knochenregeneration zu untersuchen. Obwohl diese Programme sehr benutzerfreundlich sind, dauert es einige Zeit, um den computergestützten Designprozess zu meistern. Geduld und Praxis helfen dem Benutzer, besser und schneller zu werden.Da dieses Protokoll viele Schritte der virtuellen Planung enthält, ist die Beobachtung der Phasen äußerst hilfreich. Wählen Sie für die Segmentierung des 3D-rekonstruierten Modells in der entsprechenden Segmentierungssoftware im Menü Knochensegmentierung Die Option Allgemein aus, und verwenden Sie das Plus-Tool, um das Segment des Interesses und das Minus-Werkzeug anzugeben, um die unerwünschten Segmente während des Scrollens und Bewegens durch den Scan anzuzeigen. Verwenden Sie die Schaltfläche Festlegen, die die Segmentierung initiiert, und klicken Sie auf Übernehmen, um das neue Segment zu erstellen.Um eine gute Knochensegmentierung durchzuführen, sollte eine große Anzahl positiver und negativer Markierungen im 3D-rekonstruierten Modell verwendet werden. und alle anderen Ansichten. Wenn die Segmentierung abgeschlossen ist, korrigieren Sie die Markierungen und fügen Sie neue Markierungen hinzu, um bei Bedarf eine bessere Genauigkeit zu erzielen.Exportieren Sie die Dateien als STL 3D-Dateien. Um das 3D-Rekonstruktionsimplantat zu entwerfen, importieren Sie die STL-Dateien in die 3D-Designsoftware und verwenden Sie das Werkzeug Rasieren, um den Knochen in zwei Teile zu trennen. Wählen Sie im Menü "Ton verschieben auswählen" das Werkzeug Ton aus und markieren Sie den Interessenbereich.Kopieren Sie den markierten Bereich, und erstellen Sie ein neues identisches Objekt in der Objektliste, um die Position des Bereichs zu bearbeiten. Um sicherzustellen, dass die Drehachse auf dem Teil des Knochens festgelegt ist, der an derselben Position bleibt, wählen Sie Neupositionieren aus, und legen Sie die Rotationsachse wie geplant fest. Da der menschliche Schädel meist symmetrisch ist, verwenden Sie das Werkzeug "Spiegelton", um die korrekte Positionierung oder Platzierung des fehlenden oder falsch positionierten Segments zu erhalten und die Ebene in der Mitte des Schädels zu platzieren.Führen Sie die Segmentrotation nach Bedarf aus, und verwenden Sie das Werkzeug Ton aus dem Menü "Ton konstruieren" verwenden, um den verwinkelten knöchernen Teil zu rekonstruieren. Wählen Sie im Menü Kurven die Option Kurve zeichnen aus, um eine kontinuierliche äußere Form des gewünschten Implantats zu erstellen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Segment, und wählen Sie Duplizieren aus, um das knöcherne Segment zu duplizieren.Wenn Sie im neuen duplizierten Segment arbeiten, wählen Sie im Menü Detail Ton Emboss mit Kurve aus, um das Volumen des Rekonstruktionsimplantats zu erstellen. Wählen Sie die äußere Form des skizzierten Implantats aus, und platzieren Sie den kreisförmigen Cursor innerhalb des skizzierten Implantats auf der Oberfläche des Knochens. Wählen Sie die gewünschten Parameter aus, vor allem den Abstand, um die Dicke des Implantats zu steuern, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das duplizierte Segment, um Boolean und Remove From auszuwählen, und wählen Sie dann das Objekt aus, das das erstellte Implantat enthält.In Fällen, für die Bohrungen zur Schraubenfixierung oder Angiogenese erforderlich sind, verwenden Sie die Funktion Ebene erstellen, um eine parallele Ebene zu erstellen, in der die Bohrungen für die Platte ausgelegt sind. Wenn die Ebenen in maximaler Parallelität zum Implantat positioniert sind, wählen Sie im Menü Skizze einen Kreis aus und erstellen Sie Kreise der gewünschten Größe und Position innerhalb des Segments. Verwenden Sie im Menü Kurven die Option Projektskizze, um die Skizzen festzulegen, die von der Ebene in das Implantat übertragen werden sollen.Um die Senke für die Schrauben zu generieren, wählen Sie im Menü Detail Ton die Option Prägung mit Kurve aus, und platzieren Sie den kreisförmigen Cursor innerhalb des markierten kreisförmigen Bereichs auf der Segmentoberfläche. Um die Bohrungen im Menü "Unterdoberflächen" abzuschließen, verwenden Sie die Option Drahtschnitt-SubD, um Stäbe senkrecht zum Implantat zu erstellen. Um die Bohrungen mit den Stäben zu erstellen, wählen Sie Boolean und Remove From aus, und wählen Sie jede Stange nacheinander aus, indem Sie mit der rechten Maustaste auf Boolean klicken, Von entfernen und ein Implantat erstellen in der Objektliste.Um ein Netz im Implantat zu erstellen, verwenden Sie Kurve zeichnen, um eine Skizze des geplanten Netzes zu generieren, wie gezeigt. Verwenden Sie im Menü "Detail Clay" emboss with Wrapped Image, um ein Vorlagenbild auszuwählen, nach dem das Netz entworfen wird. Die weißen Bereiche des Bildes werden subtrahiert, und die schwarzen Bereiche bleiben erhalten.Passen Sie die Richtung und Größe des Entwurfs manuell an, und legen Sie die Dicke des generierten Entwurfs fest, und klicken Sie dann auf Anwenden. Das patientenspezifische Implantat ist dann produktionsbereit. Diese Bilder stammen von einer 40-jährigen Patientin mit einer gebrochenen Rekonstruktionsfixierungsplatte aus einer früheren Verletzung und einer unfraktionistischen Fraktur im linken Unterkieferkörper.Die Segmentierung des Unterkiefers wurde wie nachgewiesen durchgeführt, um die gebrochene Fixierplatte zu trennen. Mit Hilfe der 3D-Designsoftware wurde das linke Segment des Unterkiefers in die richtige anatomische Position neu positioniert. Die Spiegelung der rechten gesunden Seite wurde durchgeführt, um eine ordnungsgemäße Rekonstruktion des fehlenden Knochens zu ermöglichen.Das patientenspezifische Implantat könnte dann auch mit Löchern für Befestigungsschrauben konstruiert werden. Ein Netz wurde entwickelt, um eine zusätzliche Knochentransplantatplatzierung zu ermöglichen, entsprechend der richtigen Kontur des Kiefers auf der Grundlage der gesunden Seite und um eine überlegene Angiogenese durch die Löcher im Netz zu ermöglichen. Das aus Titan bedruckte Implantat mit selektiver Lasersintertechnologie und postoperativen Ergebnissen kann in diesen Bildern beobachtet werden.Beachten Sie die Kontinuität des Unterkiefers, die korrekte vertikale Position des linken Unterkiefersegments und die Symmetrie in der Körperkontur, die mit dem patientenspezifischen Implantat als äußere reine Kontur und einem Iliaskammknochentransplantat zum Füllen der Hohlräume rekonstruiert wurde. Berücksichtigen Sie bei der Entwicklung des patientenspezifischen Implantats die Planung einer Platte mit minimaler Größe, die stark genug ist, um Tragkräfte zu ermöglichen und gleichzeitig Scher- und Drehmomentkräften standzuhalten. Patientenspezifische Implantate können auch für craniooplastische, orthopädische Verfahren entwickelt werden und können potenziell für die Gestaltung von Weichgewebe in allen Organen verwendet werden.Dieses Protokoll ermöglicht derzeit die Planung neuartiger Implantate für Operationen und Forschungsstudien und kann schließlich den Implantatbioprinting und die Regeneration fremder Materialien erleichtern.

Research

JoVE Journal

Medicine

A Pipeline for 3D Multimodality Image Integration and Computer-assisted Planning in Epilepsy Surgery

Eine Pipeline für 3D Multimodalität Bildintegration und Computergestützte Planung in der Epilepsie-Chirurgie

Epilepsy surgery is challenging and the use of 3D multimodality image integration (3DMMI) to aid presurgical planning is well-established. Multimodality ...

Forschung

Medizin

A Postoperative Evaluation Guideline for Computer-Assisted Reconstruction of the Mandible

Eine postoperative Evaluierungsleitlinie für die computergestützte Rekonstruktion des Mandibles

Valid comparisons of postoperative accuracy results in computer-assisted reconstruction of the mandible are difficult due to heterogeneity in imaging ...

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

Mehrfarbiger 3D-Druck komplexer intrakranieller Tumoren in der Neurochirurgie

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

Combining Augmented Reality and 3D Printing to Display Patient Models on a Smartphone

Kombinieren von Augmented Reality und 3D-Druck zum Anzeigen von Patientenmodellen auf einem Smartphone

Augmented reality (AR) has great potential in education, training, and surgical guidance in the medical field. Its combination with three-dimensional (3D) ...

Treatment of Facial Deformities using 3D Planning and Printing of Patient-Specific Implants

Behandlung von Gesichtsdeformitäten durch 3D-Planung und Druck patientenspezifischer Implantate

Technological advancements in surgical planning and patient-specific implants are constantly evolving. One can either adopt the technology to achieve ...

Biotribological Testing and Analysis of Articular Cartilage Sliding against Metal for Implants

Biotribologische Prüfung und Analyse von Gelenkknorpel gleiten gegen Metall für Implantate

Osteochondral defects in middle-aged patients might be treated with focal metallic implants. First developed for defects in the knee joint, implants are ...

Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

Entwicklung und Evaluierung von 3D-gedruckten kardiovaskulären Phantomen für die interventionelle Planung und Das Training

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets

Kombination von 3D-Druck und Elektrospinnen zur Herstellung biomimetischer Herzklappenbroschüren

Electrospinning has become a widely used technique in cardiovascular tissue engineering as it offers the possibility to create (micro-)fibrous scaffolds ...

3D Printing Model of a Patient's Specific Lumbar Vertebra

3D-Druckmodell eines patientenspezifischen Lendenwirbels

Selective dorsal rhizotomy (SDR) is a difficult, risky, and sophisticated operation, in which a laminectomy should not only expose an adequate surgical ...

3D Reconstruction for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules (Video) | JoVE 

Ein digitales 3D-Modell für die Diagnose und Behandlung von Lungenknoten

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating ...